长短周期地震波作用下钢框架结构的响应特性对比分析

作为一种特殊的地震动,长周期地震动对结构的危害已引起国内外学者的关注。选取10条KiK-net、K-NET台网中典型的长周期地震动,以及10条国内外的短周期地震动,对比分析两者时程特征和反应谱特征的差异。将所选长、短周期地震动输入钢框架结构模型;通过非线性时程分析,研究钢框架结构在长、短周期地震动作用下的响应差异。结果表明：短周期地震动的平均地面峰值加速度是长周期地震动的3.26倍,而平均地面峰值位移比长周期地震动低10.89%;短周期地震动作用下,钢框架结构顶点加速度响应平均值是长周期地震动的5.16倍,结构顶点位移响应平均值仅比长周期地震动多0.91%;长周期地震动作用下,钢框架结构层间位移角响应较大,结构底部受影响范围更广。对于长周期地震动隐患地区的高层钢框架结构,应对长、短周期震害分别进行考虑;对于中、长周期钢框架结构,建议选用峰值位移作为抗震分析指标。     

结构系统地震动输入模式与相关问题的几点讨论

针对单自由度结构系统,定性讨论了一致地震动输入模式之间的关系、对体系响应的影响及相关问题.主要结论为:一致地震动输入的位移与加速度之间必须较好地满足运动学关系;宜采用位移输入模式计算长周期体系的地震响应;宜采用加速度输入模式计算短周期体系的地震响应.     

基于SDOF体系和高层结构的地震动强度指标研究

合理的地震动强度指标是预测和评价结构抗震响应的重要基础。选取24个周期点的单自由度体系和一个高层框架核心筒长周期结构,基于不同震源机制的100条地震动记录时程分析结果,研究16种地震动强度指标与结构地震响应的相关性,并提出考虑高阶振型影响的改进反应谱相关型地震动强度指标。研究表明：（1）不同地震动强度指标与结构地震响应的相关性差别较大,随着单自由度体系自振周期的增大,地震动强度指标与单自由度体系地震响应的相关性大致呈减小的趋势;（2）对于高层长周期结构,综合对比分析各地震动强度指标分别与顶点最大位移、最大基底剪力、最大层间位移的相关性,从工程实用角度出发,推荐地面运动峰值速度为最佳地震动强度指标;（3）由于高层长周期结构受高阶振型影响显著,采用含有高阶振型因素的反应谱强度指标可提高与结构地震响应的相关性。     

基于HHT变换瞬时能量谱的长周期结构地震反应分析

基于HHT变换得到瞬时能量谱,并以简谐地震反应为理论基础进行多自由度体系在地震动作用下的瞬态反应计算。通过对一个长周期(十五层)结构工程实例的地震瞬态反应计算分析,揭示长周期结构有别于短周期结构动力响应的独特特性:长周期结构位移响应的瞬时能量峰值的时间滞后于地震动能量峰值的时间,且主要受到瞬态振动的控制,并以低阶振型的控制为主,第一阶振型峰值位移滞后的时间最长,滞后的时间主要取决于结构的第一阶自振周期。研究结果表明,长周期结构在强烈地震动作用下,地震动强度出现的最大时刻并不总是对应于结构破环与倒塌的时间。     

考虑土-结构动力相互作用的TMD结构减震控制

本文分析了TMD(Tuned mass damper)在刚性地基和柔性地基情况下的减震控制机理,以某6层钢筋混凝土框架结构为研究对象,分别考虑了土-结构动力相互作用对无TMD控制结构的影响,场地条件对TMD减震控制性能的影响和土-结构动力相互作用对TMD减震控制性能的影响。通过分析得出TMD控制系统的减震效果除了与输入地震动特性有关外,还与场地条件、上部结构和基础的动力特性等因素有关。如果土-结构动力相互作用体系的自振周期远离输入地震动的卓越周期,则相互作用体系的地震响应较小。地基土越软,框架建筑结构层间相对位移地震响应也就越小。如果考虑土-结构动力相互作用效应的影响设计TMD调频系统的自振周期,则TMD的控制效果会有一定程度的提高。     

带消能伸臂桁架超限框筒结构在长周期地震动作用下的反应分析

由于长周期地震动记录相对缺乏,国内外对长周期地震动作用下高层结构的地震响应研究尚不充分,特别是复杂超限高层结构。从2008年汶川地震记录中选择长周期分量明显的61CAT台站记录作为输入,以一245.60m高超限框筒结构为背景,进行了长周期地震动记录不同设防水准输入下的弹性和弹塑性时程分析,并与相应水准El Centro地震动记录输入下的分析结果进行了对比,对比结果表明长周期地震动记录输入下结构的最大水平位移和层间位移角等指标均显著增大,多遇烈度时算例结构X向、Y向最大层间位移角分别为1/218、1/240,远远超出规范限值。进一步,为了考察消能减震措施对超限高层结构在长周期地震动记录下的减震效果,分别在伸臂桁架水平弦杆、竖向腹杆及及斜撑上布置黏滞阻尼器构成水平型、竖向型及单斜撑型消能伸臂桁架,在长周期地震动记录输入下对带不同阻尼器布置形式的伸臂桁架结构进行了分析,结构的最大水平位移和最大层间位移角等指标明显降低,这一结果表明消能伸臂桁架可以较好地控制结构在长周期地震动记录输入下的地震响应,特别是竖向型阻尼器布置控制效果更好,61CAT记录多遇烈度水准输入下X向和Y向最大层间位移角可减小到1/298和1/312;罕遇烈度水准下X向和Y向最大层间位移角可由原结构的1/58和1/75减小到1/87和1/107。与普通地震动记录输入下的结果相比,长周期地震动输入下消能伸臂桁架发挥的控制作用更加明显。     

海上风电工程基础结构抗震性能研究

为了探讨海上风电工程基础与结构体系的抗震性能,采用ANSYS程序建立了三种基础型式的风电塔架结构数值模型,先采用振型分解反应谱法计算了结构的地震响应,进而分别将传统地震动和最不利地震动作为输入地震动,分析了三种基础结构体系的最大地震响应。结果显示:风电结构属典型的长周期结构,基础型式对结构的振动周期影响明显,单立柱桩式结构振动周期最长,八桩承台结构振动周期最短。地震作用下,单立柱桩结构的顶端位移响应也最大;振型反应谱法与传统地震动作用下结构的响应满足现行建筑抗震规范的要求,但最不利地震作用下结构的位移响应偏大,不满足规范对位移的相关规定;组合三桩结构底部基础与结构连接处是应力集中区。海上风电工程结构抗震设计的重要性应引起充分重视。     

基于EMD与地震弹性反应谱的长周期地震动鉴别方法研究

通过对20条远场类谐和地震动、20条近场类长周期地震动及10条普通地震动的弹性反应谱分析得出:长周期地震动与普通地震动在低频成分、加速度峰值、卓越周期几方面有较大差异。通过Hilbert-Huang变换理论中的经验模态分解,对典型的普通地震波与近远场长周期地震波进行分解后重组。分析比较重组后分量时程与原时程位移谱的拟合程度得出结论:长周期地震动重组后分量时程与原时程位移谱的相关系数大于0.8;普通地震动的重组后分量时程与原时程位移谱的相关系数小于0.8。由此提出一种定量区分长周期地震动与普通地震动的方法,为界定长周期地震动提供依据。     

结构非线性时程分析中的地震动参数选择

基于性能的抗震设计是当前建筑结构设计的发展方向,其面临的一个重要问题是如何确定结构的需求,特别是非线性变形。在进行结构的非线性动力时程分析时,面临着众多的不确定因素,而地震动输入的不确定性对结构的响应影响最大。本文围绕地震动参数的选择展开研究,建立弹塑性SDOF体系和MDOF体系模型,从PEER强震数据库中选择182条远场水平地震动记录作为地震输入,计算结构的地震响应,分别对32个地震动参数和结构响应值取对数后进行线性回归分析,从有效性、实用性和效益性3个方面对不同地震动参数进行评价。分析结果表明:在进行结构非线性动力时程分析时,应针对结构的基本周期不同,选用不同的地震动强度参数。对于基本周期小于0.6 s的结构,可选用加速度类参数(如PGA或EPA);对于基本周期在0.6 s~3.0 s的结构,可选用速度类的参数(如PGV、EPV或者HI);对于基本周期大于3.0 s的结构,可选用位移类参数(如PGD等)。     

长周期地震动作用下RID-巨-子结构消能控制体系减震性能研究

为了验证旋转惯容阻尼器(RID)对巨-子结构体系在长周期地震动作用下的减震效果,基于强震动观测数据比较了近断层速度脉冲型地震动和远场类谐和地震动这两类长周期地震动的特点,通过建立RID-巨-子结构消能控制体系的振动微分方程,对比分析了两类长周期地震动对RID-巨-子结构消能控制体系和巨-子结构抗震体系地震响应的影响差异。结果表明,相对于巨-子结构抗震体系,RID-巨-子结构消能控制体系能有效减小结构体系在长周期地震动作用下的地震响应,减震效果明显。     

不同阻尼体系地震能量输入及阻尼能量耗散计算分析

本文给出了复阻尼体系地震能量输入及阻尼能量耗散计算公式。利用天津、E1Centro、迁安记录及Mexico地震Cale记录计算了复阻尼及粘性阻尼体系的地震能量输入及阻尼能量耗散,并绘制了相应的时程曲线。计算所用阻尼比取0．1及0．05,周期分别取0．3s,0．5s,1s,1．5s及5s。通过计算我们观察到,除迁安记录外,在其它几个地震作用下,对固有周期小于1s的短周期结构,复阻尼体系能量输入及阻尼能量耗散时程曲线值高于相应的粘性阻尼体系(对迁安记录固有周期需小于0．5s)。对中周期结构,两组曲线相近,对于长周期结构,复阻尼体系的能量时程曲线值低于相应的粘性阻尼体系值。对于每个地震记录,有一个临界值,体系的固有周期小于此值时,不同阻尼模型的能量输入、阻尼能量耗散时程曲线值无大差异,当周期大于此值时,不同阻尼模型的能量输入及阻尼能量耗散时程曲线差异较大。复阻尼体系对周期的敏感程度远大于粘性阻尼体系。当周期不变,阻尼比增大时,在峰值点之后,复阻尼体系能量时程曲线基本无大的变化,粘性阻尼体系能量时程曲线有抬高趋势。     

近断层区域减隔震铁路桥梁地震动强度指标选取研究

为选取适用于近断层区域减隔震铁路桥梁的地震动强度指标,完善近断层区域减隔震桥梁基于性能抗震设计方法,从NGA-West2数据库中选取了236条近断层脉冲地震记录作为输入地震激励,采用单自由度Bouc-Wen非线性模型模拟减隔震桥梁力学特性,应用MATLAB编制计算程序,对强度折减系数R=1~8,初始周期在0.5~3 s范围内的Bouc-Wen单自由度模型进行了非线性时程分析。然后选用位移响应峰值结果作为地震工程需求参数,基于相关性、可行性、有效性三项评判准则评价了25个地震动强度指标的合理性。研究结果表明:近断层区域,短周期(0.5~1 s)减隔震桥梁选用有效峰值速度EPV进行抗震分析和评估较为合理;中等周期(1~2 s)减隔震桥梁宜选用Fajfar指标IF;有效峰值位移EPD可作为长周期(2~3 s)减隔震桥梁抗震分析和评估推荐指标;在全部周期(0.5~3 s)范围内,峰值速度PGV均适用。     

三维远场长周期地震下考虑SSI层间隔震结构地震响应分析

实际地震具有多维特性,只考虑水平向作用往往不够真实全面,而且远场长周期地震动不同于普通地震动,具有周期长、持时长、低频成份丰富等特征,对周期较大的隔震类结构会产生不利影响,在考虑SSI效应(soil-structure interaction, SSI)中尤为复杂,需深入探讨。基于此,建立大底盘层间隔震结构,在三维地震动激励下,探讨普通地震与远场长周期地震对层间隔震结构的不同影响,并分析考虑SSI效应对结构的不同程度影响。结果表明：三维地震下,远场长周期对层间隔震结构产生的地震响应远大于普通地震;考虑SSI效应时,随着土体变软,结构响应增大;针对传统水平隔震支座,在三维远场长周期地震下出现层间位移角和支座位移超限问题,设置三维隔震支座,解决了超限问题,分析结果表明其隔减震效果明显优于传统水平隔震支座。     

长周期地震动参数与隔震结构响应参数的相关性研究

从Chi-Chi地震动数据中选取20条近场长周期地震记录和20条远场长周期地震记录,再从汶川地震渭河地震动数据中选取20条远场长周期地震记录作为输入,研究各个地震动记录相对应的地震动强度参数及其之间的相关性,筛选出了适合于长周期地震动的地震动强度指标,采用Pearson相关系数对筛选出的地震动强度指标与隔震体系的隔震层位移响应之间的相关性进行分析。结果表明:①在近、远场长周期地震动作用下,中长周期隔震结构的隔震层位移响应与频谱特征参数的相关性比较好,在进行中长周期隔震结构的抗震性能研究时,PGD、Sd_avg及DSI与隔震结构的相关性较好,地震动强度指标在集集近场建议选取PGD和Sd_avg,集集远场建议选取DSI和D/V,渭河远场建议选取Sd_avg和DSI;②在强相关范围内考虑相关性的高低,近场和远场的长周期地震动强度指标建议分别选取PGD和DSI。     

近断层脉冲型地震动作用下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能研究

近断层地震动中长周期、短持时和高能量的加速度脉冲将对高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能产生不利影响,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后的隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。为此,通过一幢框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的非线性地震响应分析,考察近断层脉冲型地震动作用下框架-核心筒摩擦摆基础隔震结构的层间位移角、楼层加速度和隔震层变形等响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR （sway-rocking）模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:高层摩擦摆基础隔震结构在近断层脉冲型地震动作用下的减震效果相比普通地震动减震效果变差,楼层剪力、层间位移角和隔震层变形等超越普通地震动作用下的1.5倍;对于Ⅲ和Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震结构的地震响应进一步放大,弹塑性层间位移角随着土质变软增大尤为明显。     

地震动永久位移对结构地震反应影响

本文推导了基于位移激励计算单自由度体系拟速度谱公式,通过构造的脉冲位移时程对公式精度进行了验证;之后利用小波变换去除强震记录噪声而保留地震动永久位移,再基于去趋势项方法和滤波方法去除永久位移后,计算拟速度谱。算例结果表明:短周期段内,不保留永久位移的位移激励拟速度谱值与保留永久位移的位移激励拟速度谱值相差很小;中长周期段内,不保留永久位移的位移激励拟速度谱值总体上小于保留永久位移的位移激励拟速度谱值,且不保留永久位移时,滤波方法引起的拟速度谱降幅大于去趋势项方法所引起的拟速度谱降幅。因此,基于位移激励计算中长周期结构的地震反应时,应保留地震动永久位移,或基于去趋势项方法去除永久位移。      

地震波参数对柱顶隔震体系的水平向减震性能影响研究

为了研究地震波参数对柱顶隔震体系的水平向减震性能的影响,选取台湾集集地震中8条地震波作为输入,进行了柱顶隔震体系模型的振动台试验。分析了柱顶隔震体系的水平向动力响应特点,研究了地震波的PGV/PGA、卓越周期、平均周期和断层距及幅值对其水平向减震性能的影响,并进行了数值模拟的对比分析。结果表明:柱顶隔震体系的水平向减震性能良好。相同地震强度下地震波参数的PGV/PGA、卓越周期、平均周期和断层距对柱顶隔震体系水平向减震性能的影响明显,其中:PGV/PGA的影响程度最大,可以作为主要的分析指标;随着地震动强度的增大柱顶隔震体系的水平向减震效果更加明显,地震动强度达到一定幅值后,减震率缓慢下降;与远场地震相比,近场地震不利于柱顶隔震体系的水平向减震性能的发挥,脉冲型近场地震作用下其减震效果更差。振动台试验结果与数值模拟结果基本一致,表明分析结果的可靠性。     

远场长周期地震动下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能

高层摩擦摆基础隔震结构在远场长周期地震动长持时的长周期成份作用下,尤其是类谐波成份作用下,隔震层上部结构的减震性能将可能无法得到保证,且摩擦摆支座亦可能产生超限变形。为此,远场长周期地震动作用下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能需进一步探讨。通过一幢框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的非线性地震响应分析,揭示远场长周期地震动,尤其是在类谐和长周期地震动下框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的地震响应规律。提出在隔震层增设黏滞阻尼器对结构的地震响应进行控制。结果表明:摩擦摆隔震不能满足结构在远场类谐和长周期地震动作用的减震要求,而且还将放大其作用下结构的非线性响应;组合隔震结构能较有效地控制长周期地震动、特别是远场类谐和长周期地震作用下隔震层上部结构以及隔震层的弹塑性地震响应,尤其可显著减小隔震支座的最大变形,使其不超越隔震支座的容许变形值。     

TMD基础隔震混合减震体系地震响应研究

针对基础隔震体系遭受强地震时隔震层位移较大问题,提出了将调谐质量阻尼器(TMD)与基础隔震技术联合应用,形成一种新型的混合减震体系,以此控制隔震层的位移,同时减小上部结构响应。以一栋七层基础隔震体系为仿真算例,分别分析地震激励下基础隔震结构、调谐质量阻尼器(TMD)设置于基础隔震结构底层和顶层的混合减震体系地震响应。仿真结果表明:附加调谐质量阻尼器(TMD)不但能够有效减小隔震层的地震响应,同时对上部结构的响应也有不同程度的减小;对于附加调谐质量阻尼器位于底层而言,质量调谐阻尼器(TMD)位于顶层能够更有效的减小基础隔震体系的地震响应。     

关于结构系统地震输入模式问题的讨论

通过具有不同自振频率的单自由度系统地震响应的数值计算,讨论了基于运动学和动力学关系所形成的不同地震动时程输入模式对计算结构地震响应的影响.数值结果表明,不同地震输入模式对计算结构地震响应是有较大的影响,要慎重应用地震位移输入模式.